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Die vorliegende Erfindung betrifft Statorvorrichtungen und elektrische Maschinen mit solchen Statorvorrichtungen. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Betreiben von elektrischen Maschinen. Beispiele der Erfindung betreffen Konzepte zum Kühlen eines Stators einer elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen, beispielsweise Synchronmaschinen, weisen einen Stator auf, der in ein Gehäuse (Statorgehäuse) montiert ist. Der Stator kann zum Aufbau eines magnetischen Kreises zu einem Rotor oder Läufer der elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Dazu wird eine Statorwicklung, die beispielsweise an einem Statorblechpaket angeordnet ist, mit Strom beaufschlagt.
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Bei einigen elektrischen Maschinen kann es notwendig sein, eine Kühlung des Stators bereitzustellen, um eine Temperatur des Stators oder der elektrischen Maschine unterhalb einer vorbestimmten maximalen Betriebstemperatur zu halten.
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Es sind elektrische Maschinen mit Kühlungen bekannt, bei denen ein Kühlmittel ein Gehäuse der Maschine durchfließt, das mit einem Statorblech oder einer Statorwicklung thermisch gekoppelt ist. Das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abführen.
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Die
DE 10 2012 213 237 A1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einen im Gehäuse aufgenommenen Stator, einen Rotor oder Innenläufer, der im Stator aufgenommen und im Gehäuse gelagert ist, und einen Kühlkanal zwischen dem Gehäuse und dem Stator, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Der Stator ist konzentrisch zum Rotor und der Welle montiert, so dass ein umlaufender Luftspalt zwischen Stator und Rotor entsteht.
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Die
US 2013 342 047 A1 zeigt einen Rahmen, der genutzt werden kann, um einen Eisenkern eines elektrischen Antriebs zu umgeben und zu kühlen. Der Rahmen beinhaltet eine integrierte Kühlung, in der ein Kühlmittel eine Weite des Rahmens invers durchläuft.
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Ferner sind elektrische Maschinen bekannt, bei denen eine Kühlung mittels direkten Aufbringens eines Kühlmittels auf ein Blechpaket oder Statorwicklungen bereitgestellt wird.
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Die
US 5 363 002 zeigt eine dynamoelektrische Maschine, z.B. einen Generator, mit Statorwicklungsendwindungen, die sich über die Enden eines Statorkerns der Vorrichtung hinaus erstrecken. Die Endwindungen werden gekühlt, indem Fluidkühlmittel aus hinteren Eisenkühlnuten zu Fluidkühlmittelauslassöffnungen gefördert wird, durch die das Kühlmittel auf die Endwindungen verteilt wird.
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Die
US 2013 062 974 zeigt ein Elektromaschinenmodul mit einem Gehäuse, das einen Maschinenhohlraum definiert. Ein Kühlmittelmantel kann zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses positioniert sein. Es können mehrere Kühlmittelöffnungen durch einen Teil des Gehäuses angeordnet sein, um den Kühlmittelmantel und den Maschinenhohlraum fluidmäßig zu verbinden.
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Der Nachteil bestehender Kühlkonzepte kann sein, dass eine Kühlung je nach Betriebsmodus der elektrischen Maschine beispielsweise nicht ausreichend stark ist und es daher trotz einer Kühlung in bestimmten Betriebsbereichen zu hohen Temperaturen der elektrischen Maschine kommen kann. Ferner ist es möglich, dass zwischen verschiedenen Positionen der elektrischen Maschine oder des Stators starke Temperaturunterschiede vorliegen können.
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Weiterhin kann bei bestehenden Konzepten ein Kühlfluid in einem Maschinenraum der elektrischen Maschine, beispielsweise in Kontakt mit einem Rotor, zu erhöhter Reibung des Rotors führen. Bei Konzepten, die eine Kühlung von Wicklungen des Stators beinhalten, kann die Kühlflüssigkeit etwa nur punktuell auf den Stator treffen, sodass etwa nur eine schwache Kühlwirkung erzielt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst gemäß den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung, die zusätzliche Vorteile bewirken können, sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in Verbindung mit den gezeigten Figuren beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird eine Statorvorrichtung für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die Statorvorrichtung umfasst einen Statorträger, der einen Aufnahmebereich zur Aufnahme eines Statorblechpakets aufweist. Ferner weist der Statorträger an seiner Mantelaußenfläche einen Mantelkühlkanal auf. Der Mantelkühlkanal kann beispielsweise ausschließlich innerhalb einer axialen Erstreckung des Aufnahmebereichs ausgebildet sein oder diesen alternativ axial überragen. Der Mantelkühlkanal kann beispielsweise von einer Außenseite des Statorträgers her in den Statorträger eingreifen (bspw. gefräst/eingeschnitten oder per Gussverfahren geformt), sodass der Mantelkühlkanal nach Anbringen eines Statorgehäuses auf den Statorträger geschlossen oder abgedichtet ist. Der Mantelkühlkanal kann mit anderen Worten zwischen Statorträger und einem Statorgehäuse der Statorvorrichtung ausgebildet sein.
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Ein Bereich des Statorträgers zwischen Statorblechpaket und Mantelkühlkanal stellt eine thermische Kopplung zwischen Mantelkühlkanal und einem im Statorträger aufgenommenen Statorblechpaket her. Ein durch den Mantelkühlkanal fließendes Kühlfluid kann somit eine Kühlwirkung auf das Statorblechpaket ausüben. Diese Kühlung kann als indirekte Kühlung beschrieben werden.
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Es ist ferner vorgesehen, dass innerhalb des Statorträgers eine Abdichtscheibe angebracht ist. Die Abdichtscheibe grenzt an den Aufnahmebereich an und weist axiale Öffnungen zur Aufnahme einer Statorwicklung auf. Die Abdichtscheibe begrenzt einen Wicklungskühlkanal der Statorvorrichtung zumindest teilweise. Der Wicklungskühlkanal ist zur Aufnahme von axialen Endbereichen der Statorwicklung ausgebildet. Beispielsweise kann im Statorträger ein Statorblechpaket mit Statorwicklungen angeordnet sein. Die Statorwicklungen können vom Statorblechpaket durch die Abdichtscheibe hindurch greifen, sodass axiale Enden der Statorwicklungen auf der dem Statorblechpaket gegenüberliegenden Seite der Abdichtscheibe und somit im Wicklungskühlkanal angeordnet sind. Kühlmittel, das durch den Wicklungskühlkanal fließt kann somit in direktem Kontakt mit den Endbereichen der Statorwicklungen diese kühlen, daher kann diese Kühlung als direkte Kühlung beschrieben werden.
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Beispielsweise kann die Abdichtscheibe eine axial innere Begrenzung des Wicklungskühlkanals der Statorvorrichtung bereitstellen. Eine radial äußere Abdichtung oder Begrenzung des Wicklungskühlkanals kann beispielsweise durch den Statorträger oder durch das Statorgehäuse der Statorvorrichtung ausgebildet sein. Ein axial äußerer Bereich und/oder ein radial innerer Bereich des Wicklungskühlkanals kann ebenso durch den Statorträger oder das Statorgehäuse, oder alternativ durch eine an den Statorträger angebrachte Abdeckung hergestellt werden. Beispielsweise ist der Wicklungskühlkanal von einem Rotorbereich, der innerhalb des Statorträgers zur Aufnahme eines Rotors der elektrischen Maschine ausgebildet ist, zumindest durch die Abdichtscheibe getrennt. Beispielsweise ist der Rotorbereich vom Wicklungskühlkanal der Statorvorrichtung alternativ oder zusätzlich durch das Statorgehäuse und/oder die Abdeckung getrennt.
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Ferner weist die Statorvorrichtung einen Fluideinlass sowie einen Fluidauslass auf. Fluideinlass und Fluidauslass sind sowohl durch den Mantelkühlkanal als auch durch den Wicklungskühlkanal miteinander verbunden. Die Statorvorrichtung ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, ein Kühlfluid von Fluideinlass zu Fluidauslass parallel durch Mantelkühlkanal und Wicklungskühlkanal zu führen. Mit anderen Worten kann ein Teil des Kühlfluids, dass durch den Fluideinlass in die Statorvorrichtung geleitet wird durch den Mantelkühlkanal zum Fluidauslass fließen und der andere Teil des Kühlfluids durch den Wicklungskühlkanal zum Fluidauslass fließen.
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Die vorgeschlagene Statorvorrichtung stellt ein kombiniertes Kühlsystem zur Kühlung des Stators bereit. Bei dem vorgeschlagenen Kühlsystem ist eine Abstimmung zwischen einer direkten Kühlung des Stators, die durch das Einbringen eines Kühlfluides im Wicklungskühlkanal bereitgestellt ist, und einer indirekten Kühlung des Stators, welche durch die Kühlung des Statorblechpakets durch den Mantelkühlkanal bereitgestellt ist, ermöglicht. Die Verteilung des Kühlfluides zwischen Mantelkühlkanal und Wicklungskühlkanal und damit eine Verteilung einer jeweiligen Kühlleistung kann so gewählt werden, dass der Stator effizient gekühlt wird. Beispielsweise kann je nach Art der elektrischen Maschine vorgesehen sein, eine größere Menge des Kühlfluids durch den Mantelkühlkanal oder durch den Wicklungskühlkanal zu leiten.
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Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht somit eine individuelle Einstellung der Kühlung verschiedener Bereiche des Stators. Vorteilhafterweise kann dabei das Kühlfluid in begrenzten Räumen geführt werden, beispielsweise getrennt von dem Statorblechpaket und/oder einem Rotor der elektrischen Maschine. Damit kann eine Funktion der elektrischen Maschine verbessert werden, beispielsweise kann eine Reibungskraft am Rotor vermieden werden. Beispielsweise kann eine benötigte Menge an Kühlfluid reduziert werden, da das Kühlfluid nur in den Bereichen innerhalb der Statorvorrichtung geleitet wird, an denen es eine Kühlwirkung ausüben kann. Beispielsweise wird durch eine nahe Führung des Kühlfluids an den zu kühlenden Stellen des Stators eine gute Kühlleistung erreicht, da das Kühlfluid auf die zu kühlenden Stellen fokussiert werden kann.
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In einer Weiterbildung der Statorvorrichtung ist vorgesehen, dass an zumindest einer dem Mantelkühlkanal oder dem Wicklungskühlkanal zugeordneten Durchflussöffnung ein steuerbares Ventil angeordnet ist. Das steuerbare Ventil (z.B. ein Aktuator zum Verschieben eines Dichtungselementes) ist ausgebildet, eine effektive Durchflussfläche der entsprechenden Durchflussöffnung einzustellen. Beispielsweise ist ein erstes steuerbares Ventil an einem Einlass (oder Auslass) des Mantelkühlkanals und/oder ein zweites steuerbares Ventil an einem Einlass (oder Auslass) des Wicklungskühlkanals angebracht. Das zumindest eine steuerbare Ventil kann, indem es die effektive Durchflussfläche der Durchflussöffnung ändert, ein Verhältnis der effektiven Durchflussflächen des Mantelkühlkanals und des Wicklungskühlkanals einstellen. Dadurch kann beeinflusst werden, welche Menge einer Kühlflüssigkeit durch den Mantelkühlkanal und durch den Wicklungskühlkanal fließt. Beispielsweise kann das steuerbare Ventil den Wicklungskühlkanal vollständig schließen, sodass die gesamte Kühlflüssigkeit vom Fluideinlass durch den Mantelkühlkanal zum Fluidauslass geleitet werden kann. Es ist möglich, dass das steuerbare Ventil die effektive Durchflussfläche z.B. an einem Einlass des Wicklungskühlkanals kontinuierlich oder schrittweise, beispielsweise in 10 Schritten, von ganz geschlossen bis ganz geöffnet einstellen kann. Beispielsweise kann die effektive Durchflussfläche am Wicklungskühlkanal bei vollständig geöffnetem Ventil größer sein als die des Mantelkühlkanals, sodass in diesem Fall mehr Kühlflüssigkeit durch den Wicklungskühlkanal als durch den Mantelkühlkanal geleitet werden kann. Ebenso kann ermöglicht sein, das Kühlfluid ausschließlich durch den Mantelkühlkanal zu leiten.
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Das steuerbare Ventil der Statorvorrichtung ermöglicht es vorteilhafterweise eine Kühlung des Stators anzupassen, beispielsweise in Abhängigkeit einer Temperaturverteilung am Stator und/oder in Abhängigkeit einer Betriebsart der elektrischen Maschine. Die Kühlung des Stators kann durch ein Einstellen der Verteilung des Kühlfluid adaptiv beeinflusst werden, sodass beispielsweise mehr Kühlflüssigkeit an sich stärker erwärmende Stellen der Statorvorrichtung geleitet werden kann.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Statorvorrichtung zumindest einen Temperatursensor umfasst. Der Temperatursensor der Statorvorrichtung ist dazu ausgebildet, einen Temperaturwert eines Kühlfluids zu erfassen. Dabei ist eine Durchflusssteuerung der Statorvorrichtung dazu ausgebildet, das steuerbare Ventil basierend auf dem vom Temperatursensor gemessenen Temperaturwert einzustellen. Beispielsweise kann der Temperatursensor an einer Ausflussmündung des Wicklungskühlkanals angebracht sein. Wenn der Temperaturwert einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, kann das steuerbare Ventil die effektive Durchflussfläche des Wicklungskühlkanals vergrößern, sodass mehr Kühlflüssigkeit durch den Wicklungskühlkanal geleitet wird. Dadurch kann eine höhere Kühlung des der Statorwicklung erfolgen und der Temperaturwert beispielweise wieder unter den Schwellenwert gesenkt werden. Beispielweise können eine Vielzahl an Schwellenwerten eingestellt werden, um vorteilhafterweise eine schrittweise oder kontinuierliche Steuerung der Verteilung der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen. Beispielsweise kann dem Mantelkühlkanal ein weiterer Temperatursensor zugeordnet sein und eine Steuerung des steuerbaren Ventils derart erfolgen, dass an beiden Temperatursensoren gleiche Temperaturwerte vorherrschen (beispielsweise mit einer Abweichung von maximal 10° C, 5° C, oder weniger). Alternativ oder zusätzlich kann die Durchflusssteuerung ausgebildet sein, eine Fluidverteilung zwischen den Kühlkanälen basierend auf einem Betriebszustand einer elektrischen Maschine mit der Statorvorrichtung einzustellen.
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In einer Weiterbildung der Statorvorrichtung ist vorgesehen, dass der Fluidauslass dem Fluideinlass umfangsseitig gegenüberliegend angeordnet ist. Dabei können an der Außenfläche des Statorträgers zwei sich umfangsseitig entgegengesetzt erstreckende Mantelkühlkanäle ausgebildet sein. Beispielsweise ist der Fluideinlass an einer Unterseite der Statorvorrichtung und der Fluidauslass an einer Oberseite der Statorvorrichtung angeordnet. Dadurch kann sich der Vorteil ergeben, dass das Kühlfluid von unten nach oben durch die Mantelkühlkanäle und/oder den Wicklungskühlkanal gedrückt wird und somit die Ausbildung von Luft oder Gasblasen innerhalb der Kühlkanäle vermieden werden kann, da diese mit dem Kühlfluid nach oben aus der Statorvorrichtung wieder heraus geleitet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Statorvorrichtung ist vorgesehen, dass die Abdichtscheibe an zwei umfangsseitig gegenüberliegenden Bereichen je radial nach außen weisende Öffnungen aufweist. Durch diese Öffnungen wird eine Verbindung des Wicklungskühlkanals mit dem Fluidauslass und dem Fluideinlass ermöglicht. Beispielsweise weist der Statorträger den jeweiligen Öffnungen der Abdichtscheibe zugeordnete Öffnungen auf, durch die ein Fluid vom Fluideinlass in den Wicklungskühlkanal eindringen kann. Es ist vorgesehen, dass an den Öffnungen der Abdichtscheibe radial innerhalb der Öffnungen geneigte Flächen ausgebildet sind, um ein Fluid im Wicklungskühlkanal zu verteilen. Beispielsweise zeigen die Flächen von der Öffnung in Richtung des Wicklungskühlkanals, beispielsweise axial vom Statorblechpaket nach außen. Dadurch kann ermöglicht sein, ein Kühlfluid, das durch die Öffnungen radial nach innen eindringt, axial nach außen zu leiten und somit innerhalb einer axialen Erstreckung des Wicklungskühlkanals verteilt werden kann. Damit kann vorteilhafterweise eine homogenere Verteilung eines Kühlfluids in dem Wicklungskühlkanal ermöglicht sein, sodass eine bessere Kühlung der Statorwicklung erfolgen kann.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Statorvorrichtung eine zweite Abdichtscheibe aufweist. Die zweite Abdichtscheibe ist gegenüberliegend der ersten Abdichtscheibe an den Aufnahmebereich angrenzend angeordnet. Mit anderen Worten ist der Aufnahmebereich zwischen den beiden Abdichtscheiben angeordnet. Die zweite Abdichtscheibe begrenzt einen zweiten Wicklungskühlkanal zur Aufnahme weiterer axialer Endbereiche der Statorwicklungen. Es ist also vorgesehen, dass ein erstes axiales Ende der Statorwicklung im ersten Wicklungskühlkanal und zweite axiale Endbereiche der Statorwicklung (gegenüber dem ersten axialen Ende) im zweiten Wicklungskühlkanal der Statorvorrichtung angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass eine dem zweiten Wicklungskühlkanal zugeordnete Durchflussöffnung einen größeren Durchmesser aufweist, als eine dem ersten Wicklungskühlkanal zugeordnete Durchflussöffnung. Dadurch ist ermöglicht, dass durch den zweiten Wicklungskühlkanal (beispielsweise ohne steuerbare Ventile oder bei gleicher Einstellung jeweiliger steuerbarer Ventile der beiden Wicklungskühlkanäle) mehr Kühlflüssigkeit durch den zweiten Wicklungskühlkanal geleitet wird als durch den ersten Wicklungskühlkanal. Beispielsweise kann der zweite Wicklungskühlkanal ein größeres Volumen aufweisen und/oder ein größeres Volumen der Statorwicklung im zweiten Wicklungskühlkanal angeordnet sein kann. Beispielsweise sind im zweiten Wicklungskühlkanal ferner eine Verschaltungsanordnung der Statorwicklung und/oder eine Anschlussvorrichtung zum Kontaktieren der Statorwicklung angeordnet. Beispielsweise kann sich im zweiten Wicklungskühlkanal eine höhere Wärmeentwicklung ergeben als im ersten Wicklungskühlkanal und daher eine höhere Kühlleistung benötigt werden. Der Vorteil kann sein, dass eine Verteilung des Kühlfluids auch ohne steuerbare Ventile beeinflusst oder eingestellt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Statorvorrichtung ist der Mantelkühlkanal mäanderförmig ausgebildet. Beispielsweise erstreckt sich ein mäanderförmiger Mantelkühlkanal über einen halben Umfang an der Außenseite des Statorträgers. Dadurch kann eine gleichmäßigere Verteilung des Kühlfluids über die Oberfläche des Statorträgers erreicht werden. Beispielsweise kann der Mantelkühlkanal auch spiralförmig oder aus einer Vielzahl von parallelen Teilkanälen gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass an einer radial nach innen zeigenden Oberfläche des Mantelkühlkanals Nuten ausgebildet sind, die eine Erhöhung der effektiven Kanalfläche bewirken. Durch die zusätzliche Oberfläche, die mittels der Nuten erreicht werden kann, kann ein höherer Wärmeaustausch zwischen Mantelkühlkanal und Kühlfluid im Mantelkühlkanal erfolgen und somit eine Kühlleistung zur Kühlung des Statorblechpakets erhöht werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, beispielsweise eine zuvor beschriebene Statorvorrichtung, mit einem Aufnahmebereich für ein Statorblechpaket. Der Stator weist einen Mantelkühlkanal zur indirekten Kühlung des Statorblechpakets mittels eines Kühlfluides auf. Ferner weist die elektrische Maschine ein Statorblechpaket mit einer Statorwicklung auf, wobei ein axial über das Statorblechpaket hinausragendes Wicklungsende der Statorwicklung in einem Wicklungskühlkanal der elektrischen Maschine zur direkten Kühlung mittels des Kühlfluides aufgenommen ist. Mit anderen Worten stellt die elektrische Maschine ein kombiniertes Kühlsystem zur direkten und indirekten Kühlung des Stators bereit.
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Ferner weist die elektrische Maschine zumindest eine Verteileinrichtung zum Verteilen des Kühlfluides zwischen dem Mantelkühlkanal und dem Wicklungskühlkanal auf. Die Verteileinrichtung (bspw. eine Steuerung zum Steuern eines Ventils) ist ausgebildet, eine jeweilige Durchflussmenge des Kühlfluides durch den Mantelkühlkanal und durch den Wicklungskühlkanal zu beeinflussen. Dazu können am Mantelkühlkanal und/oder Wicklungskühlkanal jeweilige steuerbare Ventile angeordnet sein, die mittels der Verteileinrichtung gesteuert werden können.
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Beispielsweise umfasst die elektrische Maschine ferner zumindest eine stirnseitig an dem Statorblechpaket angeordnete Abdichtscheibe zur Begrenzung des Wicklungskühlkanals in axialer Richtung des Statorblechpakets. Die Statorwicklung ist dabei durch Öffnungen der Abdichtscheibe in den Wicklungskühlkanal geführt. Beispielsweise ist eine fluiddichte Abdichtung des Wicklungskühlkanals zum Blechpaket hin mittels eines Abdichtmittels ausgeführt, das zumindest in den Öffnungen zwischen der Statorwicklung und der Abdichtscheibe angeordnet ist. Mit anderen Worten können in den Öffnungen der Abdichtscheibe verbleibende Freiräume mit dem Abdichtmittel verschlossen werden.
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Beispielsweise weist die elektrische Maschine ein Gehäuse (z.B. Statorgehäuse) auf, das einen Fluidzufluss und einen Fluidabfluss bereitstellt und außerhalb des Fluidzuflusses und des Fluidabflusses zumindest eine radial äußere Abdichtung des Mantelkühlkanals ausbildet. Beispielsweise weist die elektrische Maschine eine Abdeckkappe auf, die an einer axial außenseitigen Stirnfläche des Stators gegenüber der Abdichtscheibe innerhalb des Stators angeordnet ist, um den Wicklungskühlkanal abzudichten.
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Die Statorwicklung des Stators kann eine Steckwicklung sein, beispielsweise eine Hairpin-Wicklung. Es kann auch möglich sein, eine Statorwicklung aus einem flexiblen elektrischen Leiter beispielsweise auf den Statorträger oder das Statorblechpaket aufzuwickeln. Eine solche Statorwicklung kann beispielsweise segmentiert ausgebildet sein.
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Als Kühlfluid kann in der elektrischen Maschine beispielsweise ein Fluid mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Das Kühlfluid ist beispielsweise eine elektrisch nicht-leitende Flüssigkeit, etwa Öl oder destilliertes Wasser.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Verfahrensgemäß wird eine elektrische Maschine mit einem Statorblechpaket und einem ersten Kühlkanal, der zur indirekten Kühlung des Statorblechpakets mittels eines Kühlfluides ausgebildet ist, betrieben. Die elektrische Maschine weist ferner eine Statorwicklung und einen zweiten Kühlkanal auf, der zur direkten Kühlung der Statorwicklung mittels des Kühlfluides ausgebildet ist.
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Das Verfahren umfasst ein Bestimmen eines Betriebszustandes der elektrischen Maschine. Der Betriebszustand kann beispielsweise eine Temperatur eines Kühlfluides der elektrischen Maschine zumindest an einer Position des ersten oder zweiten Kühlkanals umfassen. Der Betriebszustand kann eine Drehzahl der elektrischen Maschine umfassen. Das Verfahren umfasst ferner ein Einstellen einer Durchflussverteilung des Kühlfluides zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal basierend auf dem bestimmten Betriebszustand.
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Beispielsweise treten bei erhöhter Drehzahl der elektrischen Maschine erhöhte Blechverluste im Statorblechpaket auf. Verfahrensgemäß kann demnach mehr Kühlfluid durch den ersten Kühlkanal geleitet werden, um eine dort entstehende höhere Abwärme effektiv zu kühlen. Vorteilhafterweise kann somit eine adaptive Kühlung des Stators beispielsweise auch ohne das Bereitstellen von Temperatursensoren erfolgen.
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Weiterbildungen der elektrischen Maschine sowie des Verfahrens betreffen Merkmale von Weiterbildungen wie sie bereits in Verbindung mit der Statorvorrichtung beschrieben sind. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet und die entsprechenden Merkmale gelten auch in Verbindung mit der elektrischen Maschine sowie dem Verfahren als offenbart.
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Einige Beispiele von Vorrichtungen werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1a ein Ausführungsbeispiel eines Statorträgers mit einem Fluideinlasskanal in einer Perspektivansicht;
- 1 b den Statorträger in einer Seitenansicht;
- 2 ein Ausführungsbeispiel einer Abdichtscheibe zum Verteilen eines Kühlfluids im Wicklungskühlkanal;
- 3a ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit zwei Wicklungskühlkanälen in einer Schnittansicht;
- 3b eine Detailansicht der elektrischen Maschine;
- 4 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine in einer Querschnittsansicht; und
- 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
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1a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Statorträgers 10 einer Statorvorrichtung 100 mit einem Fluideinlasskanal oder Fluideinlass 12 in einer Perspektivansicht. Umfangsseitig gegenüberliegend dem Fluideinlass 12 ist ein Fluidauslasskanal oder Fluidauslass 14 ausgebildet. Über die Außenfläche des Statorträgers 10 erstrecken sich ein erster Mantelkühlkanal 16 und ein zweiter Mantelkühlkanal 18. Die beiden Mantelkühlkanäle 16, 18 verbinden den Fluideinlasskanal 12 mit dem Fluidauslasskanal 14 über einen ersten Weg. Beispielsweise weisen die Mantelkühlkanäle zumindest bereichsweise Nuten 20a, 20b auf.
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Ferner sind im Fluideinlasskanal 12 und im Fluidauslasskanal 14 Durchflussöffnungen 22, 24 ausgebildet, die eine jeweilige Verbindung ins Innere des Statorträgers 10 ausbilden. Durch die Öffnungen 22, 24 kann ein Kühlfluid vom Fluideinlass 12 in einen Wicklungskühlkanal (vergleiche 3a) der Statorvorrichtung eindringen, um zum Fluidauslass 14 geleitet zu werden.
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Innerhalb des Statorträgers 10 kann eine Abdichtscheibe (s. 2) sowie ein Statorblechpaket mit einer Statorwicklung der Statorvorrichtung 100 (in 1 nicht gezeigt) angeordnet sein. Das Statorblechpaket kann innerhalb eines axialen Erstreckungsbereichs der Mantelkühlkanäle 16, 18 angeordnet sein. Die Mantelkühlkanäle 16, 18 ermöglichen eine indirekte Kühlung des Statorblechpakets der Statorvorrichtung 100. Ferner weist der Statorträger 10 Befestigungsmittel 26, beispielsweise zum Befestigen einer Abdeckung der Statorvorrichtung 100, auf.
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Gemäß 1a ist zur indirekten Kühlung des Stators ein Kühlkanal zwischen dem Statorträger und einem Gehäuse (nicht gezeigt) der Statorvorrichtung mit zwei um je 180° in entgegengesetzte Umfangrichtungen des Statorträgers verlaufenden Mantelkühlkanälen 16, 18 oder Teilkanälen gebildet. Die Teilkanäle sind mäanderförmig ausgebildet und weisen auf ihrem Teilkanalgrund Nuten auf, welche zusätzliche Kühleffekte hervorrufen. Der Fluiddurchfluss aus dem Fluideinlass 12 oder Einlass-Sammelkanal in die jeweiligen Teilkanäle erfolgt auf einer axialen Seite des Einlass-Sammelkanals, wobei das Fluid sich in diesem Bereich in die zwei um 180° verlaufenden Teilkanäle aufzweigt. Nachdem das Fluid in jedem Teilkanal die jeweilige Hälfte des Stators indirekt gekühlt hat, wird das Fluid in dem Auslass-Sammelbereich oder Fluidauslass 14 zusammengeführt und durch die Auslassöffnung herausgeführt.
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Die Sammelkanäle dienen jedoch als Einlass- und Auslass-Sammelkanäle nicht nur zu der indirekten sondern auch zur direkten Kühlung der Statorwicklungen. Dafür weist der Einlass-Sammelkanal auf axial gegenüberliegenden Enden die Öffnungen 22, 24 in dem Statorträger 10 auf. Diese Öffnungen 22, 24 ermöglichen eine Fluidverbindung zwischen den Sammelkanälen und den Wicklungskühlräumen (dargestellt z.B. in 3a).
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1b zeigt die Statorvorrichtung 10 in einer Seitenansicht. Dabei ist zu erkennen, dass auch der Fluidauslass 14 Öffnungen 22, 24 aufweist, sodass ein Fluid aus einem Wicklungskühlkanal der Statorvorrichtung 100 in den Fluidauslass 14 gelangen kann.
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Beispielsweise kann im Statorträger 10 eine Abdichtscheibe 30 (in 1b nicht dargestellt) angebracht sein, um die Statorvorrichtung 100 auszubilden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Abdichtscheibe 30 zum Verteilen eines Kühlfluids in einem Wicklungskühlkanal einer elektrischen Maschine. Die Abdichtscheibe kann auch als Verteilscheibe oder Isolierscheibe bezeichnet werden. Die Abdichtscheibe 30 weist an zwei gegenüberliegenden Bereichen oder Öffnungsbereichen 32a, 32b radial nach außen weisende Öffnungen 34 auf. Die Öffnungen 34 sind dafür vorgesehen, ein Fluid vom Fluideinlass in den Wicklungskühlkanal einbringen zu können. An den Öffnungen 34 sind geneigte Flächen 36 ausgebildet, die aufgrund ihrer Neigungsrichtung im eingebauten Zustand der Abdichtscheibe 30 in dem Statorträger 10 ein axiales Leiten eines Kühlfluids in Richtung des Wicklungskühlkanals bewirken.
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Ferner weist die Abdichtscheibe 30 über den Umfang verteilte, axial durchgängige Öffnungen oder Durchgriffsöffnungen 40 zum Durchgreifen von Wicklungen der Statorwicklung auf. In einem axialen Bereich 38 der Abdichtscheibe 30 kann eine in Umfangsrichtung durchgängige Mantelfläche (ohne Öffnungen) ausgebildet sein, sodass, beispielsweise in Verbindung mit einem Abdichtelement, eine fluiddichte Verbindung zwischen Statorträger 10 und Abdichtscheibe 30 möglich ist.
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3a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 200 mit einer Statorvorrichtung 100 mit zwei Wicklungskühlkanälen in einer Schnittansicht. In dem Statorträger 10 der Statorvorrichtung 100 ist ein Statorblechpaket 50 mit einer Statorwicklung 52 angebracht. An beiden axialen Enden des Statorblechpakets 50 sind Abdichtscheiben 30 angeordnet. Ferner weist die elektrische Maschine 200 ein Statorgehäuse 53 auf, durch das ein Fluid in den Fluideinlass 12 eingeführt und aus dem Fluidauslass 14 ausgeführt werden kann, und welches ferner Mantelkühlkanäle des Statorträgers 10 (in 3a an nicht dargestellt) radial nach außen abgedichtet.
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Die Statorwicklung 52 ist jeweils axial durch die Abdichtscheiben 30 in Wicklungskühlräume oder Wicklungskühlkanäle 54 und 56 durchgeführt, sodass axiale Enden der Statorwicklung 52 jeweils in einem Wicklungskühlkanal angeordnet sind. Der Wicklungskühlkanal 54 ist durch die Abdichtscheibe 30, den Statorträger 10 sowie ein Abdichtelement oder Abdeckung 58 abgedichtet, sodass ein Kühlfluid ausschließlich durch die Öffnungen 22 von Fluideinlass 12 und Fluidauslass 14 in den Wicklungskühlkanal 54 gelangen kann. Im Wicklungskühlkanal 54 ist ferner eine Verschaltanordnung 60 der beispielsweise 3-phasigen Statorwicklung 52 ausgebildet. Eine axial äußere Abdichtung des Wicklungskühlkanals 56 ist durch eine Abdeckkappe oder Abdeckung 59, die am Statorträger 10 befestigt ist, ausgebildet.
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Die elektrische Maschine 200 weist einen Rotor 62 auf, der radial innerhalb des Stators angeordnet ist. Im Rotor 62 ist ein Kühlkanal 64 zur Kühlung des Rotors mittels eines Kühlfluides ausgebildet. Somit ist eine Kühlung des Rotors 62 unabhängig von einer Kühlung des Stators der elektrischen Maschine 200 möglich. Insbesondere sind die Wicklungskühlkanäle 54 und 56 vom Rotor oder von einem Motorraum der elektrischen Maschine 200 durch die Abdeckungen 58, 59 fluiddicht abgetrennt.
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Der Stator der elektrischen Maschine 200 weist ein Blechpaket 50, eine in das Blechpaket eingesetzte Wicklung 52 und einen Statorträger 10 auf. Die Wicklung 52 ist in Form einer Hairpinwicklung ausgebildet. Auf einer ersten Stirnfläche des Blechpakets 50 sind die Wendebereiche der u-förmigen Hairpins und auf der anderen axialen Stirnfläche des Blechpakets 50 sind die verschweißten Beinenden angeordnet.
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Zur Kühlung des Stators ist zwischen dem Statorträger 10 und dem Gehäuse 53, in welchem der Stator über den Statorträger 10 befestigt ist, ein Kühlkanal (Mantelkühlkanal) ausgebildet. Der Kühlkanal weist zwei um 180° in Umfangsrichtung des Statorträgers zueinander versetzt angeordnete Nuten auf, welche zwei Sammelkanäle darstellen. Die Sammelkanäle sind auf der dem Gehäuse zugewandten Oberfläche des Statorträgers 10 ausgebildet und entsprechen in ihrer Länge der Länge des Blechpakets 50 und überlappen dieses in axialer Richtung.
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Dem ersten Sammelkanal, welcher sich im unteren Bereich des Statorträgers befindet ist der Kühlkanaleinlass zugeordnet und er dient als Einlass-Sammelkanal. Dem zweiten Sammelkanal, welcher sich im oberen Bereich des Statorträgers befindet ist der Kühlkanalauslass zugeordnet und er dient als Auslass-Sammelkanal. Ein Vorteil der Anordnung des Einlass-Sammelkanals unterhalb des Stators und des Auslass-Sammelkanals oberhalb des Stators liegt darin, dass in dem Kühlkanal gebildete Luft bzw. Gase durch das Fluid nach oben zu Kühlkanalauslass gedrängt werden und sich nicht in dem Kühlkanal ansammeln können. Über die zwei Sammel-Kanäle wird eine Kombination aus einer direkten und indirekten Kühlung mit verbesserter Kühlleistung ermöglicht. Die Sammelkanäle sind sowohl über die Mantelkanäle als auch über die Wicklungskühlkanäle miteinander verbunden.
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Die Wicklungskühlräume oder Wicklungskühlkanäle 54, 56 sind beidseitig des Stators angeordnet, und sind zur direkten Kühlung der Hairpinwicklung vorgesehen. Damit der Rotor 62 der Elektromaschine 200 sowie der sonstige Elektromotorraum frei vom Fluid der Statorkühlung bleibt, sind die Wicklungskühlräume verschlossen und dicht ausgebildet. Zum Beispiel ist jeder der beiden Wicklungskühlräume durch den Statorträger, Abdeckkappe und eine Isolierscheibe (Abdichtscheibe 30) gebildet und dicht ausgeführt.
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In einer ersten axialen Richtung in Richtung des Statorblechpakets 50 sind beide Wicklungskühlräume 54, 56 mit den Isolierscheiben abgedichtet. Die Isolierschieben bestehen aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und sind auf jeder axialen Stirnseite des Blechpakets 50 angeordnet. Die Isolierscheiben weisen Nuten auf, welche Nuten des Blechpakets 50 entsprechen und mit diesen ausgerichtet auf dem Blechpaket angeordnet sind, damit die Hairpinwicklung durch diese in den Nuten des Stators eingesetzt und befestigt werden kann. Damit in dem Spalt zwischen der Wicklung 52 und den Nuten der Isolierscheibe 30 kein Fluid in Richtung Statorblechpaket 50 durchdringen kann, wird dieser zusätzlich mit einem Abdichtmittel 66, z.B. Klebemittel oder Vergussmittel gedichtet. Zusätzlich dient die Isolierscheibe z.B. als Träger für die Verbindungsleiter der Verschaltungsanordnung.
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In einer jeweiligen zweiten, der ersten axialen Richtung entgegengesetzten Richtung, sowie am Innenumfang sind die Wicklungskühlräume 54, 56 durch eine Abdeckkappe 58, 59 abgeschlossen. Die Abdeckkappe kann aus einem Kunststoffelement gebildet sein, welches innerhalb des Statorträgers und der Isolierkappe eingesetzt und dicht zu diesem fixiert ist. Die Abdeckkappe kann jedoch auch einen Teil der Elektromaschine bilden (z.B. Lagerschild), welcher einen Aufnahmeraum für die Hairpinwicklung darstellt.
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Wenn das Lagerschild z.B. einteilig mit dem Statorträger ausgebildet ist, kann auf eine weitere Dichtung verzichtet werden. Nach radial außen wird jeder Wicklungskühlraum 54, 56 durch den Statorträger 10 verschlossen.
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Zur gezielten direkten Kühlung der Hairpinwicklung weist die Isolierscheibe zwei Schlitzbereiche auf. Die Schlitzbereiche sind gegenüberliegend zueinander in Umfangrichtung der Isolierschiebe ausgebildet und entsprechen in ihrer Position in der elektrischen Maschine 200 dem Einlass- und Auslass-Sammelbereich bzw. Fluideinlass 12 und Fluidauslass 14 des Statorträgers 10. Durch den unteren Schlitzbereich wird das aus dem Einlass-Sammelbereich einströmende Fluid aufgeteilt und innerhalb des Wicklungskühlraums von unten nach oben in beiden Umfangrichtungen verteilt. Durch den oberen Schlitzbereich wird das Fluid aus dem Wicklungskühlraum gesammelt und in Richtung des Auslass-Sammelbereichs abgeführt (s. auch 4). Die Schlitzbereiche erstecken sich um einen gewissen Umfangsbereich, wie zum Beispiel 90°, und weisen zwischen den Nuten Stege mit geneigten Flächen auf, welche das Fluid aus dem Einlass-Sammelraum in den Wicklungskühlraum einlassen oder in den Auslass-Sammelraum auslassen.
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Ein erster Wicklungskühlraum nimmt beispielsweise die Wendebereiche der Hairpinwicklung 52 und eine Verschaltungsanordnung 60 auf. Ein zweiter Wickelkühlraum nimmt beispielsweise die geschweißten Wicklungsenden auf, daher ist der Gesamtbetrag an den zu kühlenden Kupfer in den jeweiligen Wicklungskühlräumen und somit die zu Kühlwirkung unterschiedlich.
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In dem Auslass-Sammelbereich sind beispielsweise zwei Temperatursensoren 68, 70 vorgesehen. Die Temperatursensoren sind je im Bereich des Fluiddurchflusses zwischen den jeweiligen Wicklungskühlraum und dem Auslass-Sammelbereich zugeordnet, damit die entsprechende Temperatur des Fluides aus dem jeweiligen Wicklungskühlraum separat gemessen und an die Anforderungen angepasst werden kann.
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Beispielsweise sind in der Statorvorrichtung steuerbare Ventile 72, 74 (z.B. Drosseln) bereitgestellt, die eine Durchflussmenge eines Kühlfluids durch die Wicklungskühlkanäle 54, 56 beeinflussen können. Das dem Wicklungskühlkanal 56 zugeordnete steuerbare Ventil 72 ist beispielsweise an einem Ausgang des Wicklungskühlkanals 56 angeordnet und das dem Wicklungskühlkanal 54 zugeordnete steuerbare Ventil 74 ist beispielsweise an einem Eingang des Wicklungskühlkanals 54 angeordnet.
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Auch die Öffnungen 22, 24 in dem Einlass-Sammelkanal können entsprechend diesen unterschiedlichen Anforderungen an die Kühlleistung in den jeweiligen Wicklungskühlräumen angepasst werden, indem die Öffnungen entsprechend in ihrem Durchmesser angepasst ausgebildet werden.
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Der Statorträger 10 kann weiterhin einen Aufnahmebereich für einen Leistungsanschluss des Stators aufweisen, welcher die Verschaltungsanordnung 60 mit einer Außenanschlussquelle kontaktiert. Dieser Aufnahmebereich kann innerhalb des Wicklungskühlungsraums 54 ausgebildet sein um eine zusätzliche Kühlung des Leistungsanschlusses zu gewährleisten.
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3b zeigt eine Detailansicht der elektrischen Maschine 200 aus 3a. Dabei ist der in 3a gezeigte obere Bereich des Wicklungskühlkanals 54 dargestellt. Insbesondere ist das Abdichtmittels 66 zwischen Statorwicklung 52 und Abdichtscheibe 30 dargestellt. Weiterhin sind Isoliermittel, beispielweise Isolierringe 67, die zwischen Abdichtscheibe 30 und Statorträger 10 bzw. Abdeckung 58 angeordnet sind, gezeigt.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 200 in einer Schnittansicht. Dabei ist ein Schnitt eines Wicklungskühlkanals gezeigt. Eingefügte Pfeile zeigen in 4 schematisch die Flussrichtung eines Kühlfluides im Wicklungskühlkanal in einem Kühlbetrieb. Dabei fließt das Kühlfluid durch die Öffnung 22 des Fluideinlasses 12 (unten in der Abbildung der 4) in den geschlitzten Bereich der Abdichtscheibe 30 und verteilt sich in Umfangsrichtung. Von dort wird das Kühlfluid durch die Öffnungen 34 mittels der geneigten Flächen 36 nach radial innen, und gleichzeitig axial in den Wicklungskühlkanal 54 geführt, sodass z.B. eine homogene axiale Verteilung des Kühlfluids im Wicklungskühlkanal erreicht wird. Das Kühlfluid wird entlang beider Umfangsrichtungen des Wicklungskühlkanals 54 nach oben geführt, wo es wiederum durch die oben angeordneten Öffnungen 34 durch die Abdichtscheibe 30 radial nach außen geführt wird um durch einen oberen Schlitzbereich zwischen Abdichtscheibe 30 und Statorträger 10 durch die obere Öffnung 22 zum Fluidauslass 14 geführt zu werden.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 80 zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Verfahrensgemäß kann etwa eine zuvor beschriebene elektrische Maschine betrieben werden. Das Verfahren 80 umfasst ein Bestimmen 82 eines Betriebszustandes der elektrischen Maschine und ein Einstellen 84 einer Durchflussverteilung eines Kühlfluides zwischen einem ersten Kühlkanal und einem zweiten Kühlkanal der elektrischen Maschine basierend auf dem bestimmten Betriebszustand.
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Vorgeschlagene Konzepte ermöglichen eine verbesserte Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine. Es wird ein kombiniertes Kühlsystem vorgeschlagen, bei dem eine Abstimmung zwischen der direkten und indirekten Kühlung gewählt ist oder eingestellt werden kann, um den Stator der elektrischen Maschine effizient zu kühlen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Statorträger
- 12
- Fluideinlass
- 14
- Fluidauslass
- 16, 18
- Mantelkühlkanal
- 20a, 20b
- Nut
- 22, 24
- Öffnungen des Statorträgers
- 26
- Befestigungsmittel
- 30
- Abdichtscheibe
- 32a, 32b
- Öffnungsbereich
- 34
- Öffnungen der Abdichtscheibe
- 36
- geneigte Fläche
- 38
- axialer Bereich
- 40
- Durchgriffsöffnung
- 50
- Statorblechpaket
- 52
- Statorwicklung
- 53
- Statorgehäuse
- 54, 56
- Wicklungskühlkanal
- 58, 59
- Abdeckung
- 60
- Verschaltungsanordnung
- 62
- Rotor
- 64
- Rotorkühlkanal
- 66
- Abdichtmittel
- 67
- Isolierring
- 68, 70
- Temperatursensor
- 72, 74
- steuerbares Ventil
- 80
- Verfahren
- 82
- Bestimmen eines Betriebszustandes
- 84
- Einstellen einer Durchflussverteilung
- 100
- Statorvorrichtung
- 200
- elektrische Maschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213237 A1 [0005]
- US 2013342047 A1 [0006]
- US 5363002 [0008]
- US 2013062974 [0009]
